黏塑性阻尼墙试验研究

黏塑性阻尼墙试验研究
孙飞飞;吴坦烨;莫刚;邢加为
【摘要】为了解决传统黏滞阻尼墙位移较大时阻尼力较小,且无法为结构提供刚度的问题,设计了一种黏塑性阻尼墙.对传统黏滞阻尼墙和黏塑性阻尼墙的对比试件进行了滞回试验,检验了黏塑性阻尼墙小震下黏滞耗能、大震下黏滞耗能与金属耗能共同作用的特点.分析了螺栓滑移对刚度的影响,证明了黏滞耗能和金属耗能的耗能量相匹配可以有效增大等效阻尼比,降低地震反应.讨论了金属阻尼器工作间隙的影响,建议工作间隙值取为黏塑性阻尼墙高度的1/250,并建议将最大位移为黏塑性阻尼墙高度的1/100处,两种耗能相等时的黏滞系数作为合理黏滞系数.%Traditional viscous damping wall (VDW) just provides small damping force when the relative displacement is large,and it can't provide stiffness for the structure.In order to solve this problem,a visco plastic damping wall (VPDW) was proposed.Hysteretic experiments of traditional VDW and VPDW specimens were carried out,and it was verified that under small earthquakes only the viscous part of VPDW dissipated energy,while under severe earthquakes,the metal part dissipated energy together with the viscous part.The slip influence of bolts on stiffness was analyzed,and it was proved that well matching of energy consumption between viscous part and metal part can efficiently enlarge equivalent damping ratio and reduce the seismic response.The influence of working gap in metal damper was discussed and the value of working gap was suggested to be 1/250 the height of VPDW.Besides,the reasonable coefficient of viscosity was suggested to be the value for which the energy consumption of these two
parts was equal when the maximum displacement was 1/100 the height of VPDW.
【期刊名称】《结构工程师》
【年(卷),期】2017(033)006
【总页数】8页(P90-97)
【关键词】黏塑性阻尼墙;金属阻尼器;等效阻尼比;工作间隙
【作者】孙飞飞;吴坦烨;莫刚;邢加为
【作者单位】同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092;同济大学土木工程学院建筑工程系,上海200092;同济大学土木工程学院建筑工程系,上海200092;银川能源学院建筑工程学院,银川750105
【正文语种】中文
0 引言
黏滞阻尼墙能够隐藏于建筑结构的墙体中,既能耗散地震能量又不影响建筑的使用,是一种能很好满足人们要求的消能减震构件。

1986年,日本学者Miyazaki首次提出黏滞阻尼墙概念,并对安装有黏滞阻尼墙的结构进行了振动台试验研究[1]。

1992年,日本的M.Miyazaki和Mitsusaki设计了世界上第一幢用黏滞阻尼墙减震耗能的建筑SUT-Building[2]。

此后,美国、中国等各国学者相继对黏滞阻尼墙在结构中的减震效果开展了试验和理论研究[3-5]。

目前,关于黏滞阻尼墙构件的文献相对较少。

同济大学闫峰和吕西林对黏滞阻尼墙模型进行了力学性能试验,并提出了力学性能计算公式[6]。

章征涛等人进行了黏滞阻尼墙动力性能试验,研究了黏滞阻尼
墙的动力性能随环境温度、位移幅值及振动频率的变化规律[7]。

同济大学孙飞飞和莫刚提出了利用振动台研究黏滞阻尼墙构件性能的试验方法[8]。

黏滞阻尼墙虽然拥有许多优势,但仍有一些不足。

其中较为重要的一点是黏滞阻尼墙是速度型的黏滞阻尼器,位移在零点附近时相对运动速度较大,阻尼力较大;而当位移较大时相对运动速度较小,阻尼力较小,且不能为结构提供刚度。

目前,已有学者提出了复合阻尼的阻尼器,这种阻尼器能同时具备多种形式的耗能,耗能能力强。

2005年周云等提出了复合型的铅黏弹性阻尼器,该阻尼器能够同时利用铅挤压和剪切塑性变形耗能与黏弹性材料剪切滞回变形耗能,耗能效率较高[9]。

本文借鉴复合型阻尼器的思想,将金属阻尼器与黏滞阻尼墙结合起来提出黏塑性阻尼墙。

黏塑性阻尼墙在小震下仅依靠黏滞部分耗能,而在大震下黏滞耗能和金属屈服耗能共同作用,耗能能力更强。

本文通过试验研究检验了黏塑性阻尼墙性能,分析了螺栓滑移对刚度的影响,考虑了黏滞阻尼力所占比例对等效阻尼比的影响,讨论了金属阻尼器的合理工作间隙,并给出了合理黏滞系数的取值方法。

1 黏塑性阻尼墙的构造设计
1.1 金属阻尼器的设计
本文通过对各种金属阻尼器的比较,最终选择了三角形弯曲型阻尼器[10],这种阻尼器的三角形钢板底端固定,顶端自由,当钢板顶点发生面外位移时,钢板整个高度的曲率是一个定值。

三角形弯曲型阻尼器具有耗能能力强、计算理论成熟、体积小、延性好等优点。

假定三角形钢板的底边完全固结,忽略钢板的剪切变形,可以得到三角形钢板在面外变形的刚度为
(1)
式中,E为钢材弹性模量;N为钢板数量;b为钢板底边长度;t为钢板厚度;h为钢板高
度。

三角形钢板的屈服荷载Py、极限荷载Pp和屈服位移Δy可通过结构力学计算得到:
(2)
(3)
(4)
为了在试验过程中能清楚地观察到黏塑性阻尼墙滞回曲线的特点,应使金属阻尼器滞回耗能能力与黏滞阻尼墙黏滞耗能能力相匹配。

本次试验中金属阻尼器采用
Q235钢材,考虑超强系数为1.15,因此钢板屈服强度取为270 N/mm2,金属阻尼器设计参数如表1所示。

表1中的屈服荷载按照钢板弯曲变形的边缘屈服准则确定,极限荷载按照全截面屈服准则确定。

金属阻尼器的具体设计如图1所示。

表1 金属阻尼器设计参数
Table 1 Design parameters of metal damper
弹性模量E/(N·mm-2)三角形钢板底边b/mm钢板厚度t/mm钢板数量N三角形钢板高度h/mm206000160252235屈服强度fy/(N·mm-2)屈服荷载Py/kN极限荷载Pp/kN屈服位移Δy/mm弹性刚度Kd/(kN·mm-
1)27038．3057．452．9013．23
图1 金属阻尼器设计图(单位:mm)Fig.1 Metallic damper schematic (Unit:mm) 1.2 黏塑性阻尼墙整体构造
黏塑性阻尼墙包括两个金属阻尼器和一个黏滞阻尼墙,每个金属阻尼器含有两块三角形钢板,每块三角形钢板与底板连接处均设有沿水平方向±2 mm的工作间隙。

工作间隙可以使金属阻尼器在小震作用下不提供阻尼力,仅依靠黏滞阻尼墙耗能;而在
大震作用下,黏滞阻尼墙和金属阻尼器同时耗能,能够耗散更多的能量。

金属阻尼器
顶板与加载梁相连,底板与黏滞阻尼墙两侧的附加柱相连。

黏滞阻尼墙试件内钢板
尺寸为660 mm×1 175 mm,外钢箱尺寸为1 300 mm×875 mm。

二甲基硅油是一种无色无味的高聚物,具有无毒、不挥发、黏度随温度变化不敏感等优点,因此可
作为本次试验的黏滞阻尼材料,在黏滞阻尼墙中加入硅油使其液面高度为700 mm。

黏塑性阻尼墙三维图如图2所示。

图2 黏塑性阻尼墙三维图Fig.2 Three-dimensional diagram of VPDW
2 阻尼墙试验及性能分析
2.1 加载装置及金属阻尼器材性试验
试验在南京工业大学建筑结构实验室中进行,根据其作动器的特点设计了阻尼墙的
加载框架,加载框架包括加载梁、立柱和底梁。

作动器与加载梁连接在一起,加载梁
由左右两侧立柱提供支撑力。

为了防止加载梁在试验过程中发生面外扭转,在两侧
立柱上分别设置了柱帽,在柱帽和立柱外伸钢板上分别开设了竖直方向的长圆孔,通
过高强螺栓连接在一起。

为了减小加载梁在水平往复运动过程中与立柱及柱帽之间的滑动摩擦力,分别在加载梁与两侧立柱、柱帽接触的部位设置了滚轴,将滑动摩擦
力变为滚动摩擦力,从而极大地减弱了摩擦力造成的试验误差。

立柱固定在底梁上,
底梁通过两侧的压梁和限位挡板固定在地面上,防止其发生翘动和水平位移。

黏滞
阻尼墙内钢板与加载梁相连,外钢箱固定在底梁上。

黏滞阻尼墙试件和黏塑性阻尼
墙试件尺寸均相同,因此在试验过程中仅需在完成黏滞阻尼墙试件试验后,在两侧分
别安装上金属阻尼器即可形成黏塑性阻尼墙试件。

黏滞阻尼墙试验装置设计图如图3所示,黏塑性阻尼墙试验实际装置如图4所示。

图3 试验装置设计图Fig.3 Test unit schematic
图4 黏塑性阻尼墙装置Fig.4 VPDW unit
对金属阻尼器所用钢材进行了材性试验,测试得到了钢材的屈服强度和极限强度值
分别为262 N/mm2和436 N/mm2,相应的计算屈服荷载和极限荷载分别为37.16 kN和55.74 kN,与设计参数基本吻合,证明金属阻尼器部分较好的达到了预期目标。

2.2 试验工况及加载步骤
本次试验加载频率为0.5 Hz,加载梁位移幅值分别为10 mm,15 mm,20 mm和30 mm。

加载均采用位移控制的正弦荷载,每个工况加载5个循环,每一工况加载前后测量硅油的温度,并在每一工况加载结束后静置2 min再开始下一工况的加载。

由于黏滞阻尼墙的设计和加工未能达到预期的效果,部分黏滞阻尼力比较小。

为了使黏滞阻尼力和金属阻尼力尽可能接近,从而在滞回曲线上更加清晰地反映出黏塑性阻尼墙的特点,本次试验仅在黏滞阻尼墙的左侧装一个金属阻尼器。

首先对黏滞阻尼墙试件进行上述不同工况的试验,之后在黏滞阻尼墙左侧装上金属阻尼器再进行相应工况试验。

试验记录了不同工况下的阻尼力和位移值,并得到了相应的滞回曲线。

2.3 试验结果
2.3.1 试件1——黏滞阻尼墙
试验测得各个加载工况前后硅油的温度几乎没有变化。

在试验加载过程中,加载梁滑动平稳,加载框架没有明显的变形及位移,位移幅值较大的工况有硅油被挤出的现象,某些工况能听到黏滞阻尼墙中有明显的空腔和较大气泡爆炸的声音。

试验得到试件1在不同工况下的滞回曲线如图5所示。

图5 黏滞阻尼墙滞回曲线Fig.5 Hysteretic curves of VDW
从图中可以看出每种工况的滞回曲线都比较饱满,具备较好的耗能能力。

滞回曲线的形状是倾斜的椭圆,说明黏滞阻尼墙有明显的动态刚度。

通过图中不同工况下滞回曲线的比较,可以清楚地看出在相同频率下黏滞阻尼墙的阻尼力是随着加载幅值的增大而增大的。

2.3.2 试件2——黏塑性阻尼墙
试验测得各个加载工况前后硅油的温度没有明显变化。

在试验加载过程中,由于金属阻尼器的阻尼力比较大,加载梁受到阻力后会带动内钢板发生旋转。

柱帽上的竖向长圆孔导致加载梁在往复运动过程中存在一定的平面内转动,使得内钢板与外钢箱的相对位移未能达到预定的加载位移幅值。

由于本次试验金属阻尼器采用现场安装的形式,同时黏滞阻尼墙附加柱连接部位的螺栓孔距离较近,使得安装过程中高强螺栓未能拧紧到规定的扭矩,从而导致试验过程中金属阻尼器上下两端的螺栓有松动的现象。

试验得到试件2在不同工况下的滞回曲线如图6所示。

图6 黏塑性阻尼墙滞回曲线Fig.6 Hysteretic curves of VPDW
从图中的滞回曲线可以看出,金属阻尼器的阻尼力有一些滞后,没有从位移为0时开始增长,而是滞后了10 mm左右。

这是因为金属阻尼器的设计本身就有一定的工作间隙,同时加载时金属阻尼器连接处的螺栓也存在滑移。

黏塑性阻尼墙加载幅值较小时,金属阻尼器不提供阻尼力,此时只有黏滞阻尼力部分耗能;当加载幅值较大时,黏滞耗能和金属屈服耗能共同作用。

2.4 黏塑性阻尼墙性能分析
图7是黏塑性阻尼墙与同一加载工况下黏滞阻尼墙的滞回曲线比较。

以图7(a),(b)为例,在A段两条曲线重合得很好,这是因为金属阻尼器的运动处在工作间隙中,金属阻尼器不提供阻尼力,阻尼力全由黏滞阻尼墙部分提供;但是在B段黏塑性阻尼墙滞回曲线的阻尼力比黏滞阻尼墙的阻尼力要大,这是因为金属阻尼器连接处的螺栓存在一定滑移,导致金属阻尼器的阻尼力缓慢上升。

虽然本次试验黏滞阻尼墙的阻尼力较小,但仍然可以观察到黏塑性阻尼墙在金属阻尼器工作间隙阶段主要依靠黏滞阻尼耗能,而在金属阻尼器屈服阶段黏滞阻尼和金属阻尼共同耗能的特点。

2.5 螺栓滑移对刚度的影响
本次试验中只安装了一个金属阻尼器,因此理论刚度为13.23 kN/mm。

从黏塑性阻尼墙的滞回曲线上可以测量得到各个工况的加载和卸载刚度如表2所示。

图7 黏塑性阻尼墙与黏滞阻尼墙的比较Fig.7 Comparison of hysteretic curves between VPDW and traditional VDW
表2 黏塑性阻尼墙加载和卸载刚度
Table 2 Loading and unloading stiffness of VPDW
幅值/mm频率/Hz加载刚度/(kN·mm-1)卸载刚度/(kN·mm-
1)100．511．2511．25150．53．87611．25200．53．87611．25300．53．87611．25
从表中可以看出实际刚度与理论刚度相差较大,其主要原因是金属阻尼器连接处的螺栓滑移。

10 mm工况的加载位移较小,螺栓的滑移不明显,此时螺栓滑移对加载刚度和卸载刚度的折减系数均为0.85。

后续工况的加载位移逐步增大,螺栓滑移较大,其对加载刚度的削弱程度增大,折减系数为0.29,但对卸载刚度的折减系数仍为0.85。

3 黏塑性阻尼墙性能影响因素分析
3.1 黏滞阻尼力分担率的影响
设置阻尼装置减小地震反应的效应主要是由于阻尼器的阻尼特性产生的能量吸收而产生的。

随着等效阻尼比的增加地震影响系数大幅减小,因此增大黏塑性阻尼墙的等效阻尼比能够有效降低地震反应。

我国《建筑抗震设计规范》中等效阻尼比是用消能部件本身在地震作用下变形所吸收的能量与设置消能部件后结构总地震变形能的比值来表征的,等效阻尼比计算公式为
(5)
式中, ζ为消能减震结构的等效阻尼比;Wc为所有耗能部件在结构预期位移下往复
一周所消耗的能量;Ws为设置耗能部件的结构在预期位移下的总应变能。

本次试验中黏滞阻尼力部分较小,导致等效阻尼比较小,不利于减小地震反应。

下面以位移幅值为30 mm这一工况为例,分析黏滞阻尼力所占比例对等效阻尼比的影响。

试验中该工况下黏塑性阻尼墙的最大阻尼力约为80 kN,而相应工况下黏滞阻
尼墙的最大阻尼力约为10 kN,因此黏滞阻尼力部分仅占总阻尼力的12.5%。

当保持金属阻尼力大小不变,不断增大黏滞阻尼力,使黏滞阻尼力部分达到总阻尼力的50%时,等效阻尼比的变化情况如图8所示。

图8 黏滞阻尼力所占比例对等效阻尼比的影响Fig.8 Influence of viscous damping force proportion on equivalent damping ratio
从图中可知,该工况下的实际等效阻尼比约为0.33,而当黏滞阻尼力增大至与金属阻尼力相等时,等效阻尼比增大至0.42。

因此增大黏滞阻尼力使其与金属阻尼力相当,可以有效增大等效阻尼比,降低地震反应。

3.2 金属阻尼器工作间隙的影响
黏塑性阻尼墙金属阻尼器具有工作间隙的特征有利于建筑结构对于风振和地震作用的控制。

当建筑结构处于风振或小震作用且振动幅值不超过金属阻尼器的工作间隙时,黏塑性阻尼墙仅依靠黏滞阻尼部分耗能,可以对振动起到很好的控制作用。

当建筑结构处于大震作用时,振动幅值超过金属阻尼器的工作间隙,金属阻尼器的刚度开始发挥作用,有利于减小地震作用下的位移,同时,金属屈服耗能开始发挥作用,能耗散大量的地震作用。

下面以黏塑性阻尼墙在不同位移幅值下的等效阻尼比来说明其对结构振动控制的有利影响。

由式(5)可知,等效阻尼比ζ需要计算滞回耗能Wc和应变能Ws求得。

滞回耗能包括黏滞耗能Wv和金属屈服耗能Wm两部分。

正弦加载的最大速度为
Vmax=2πfA
(6)
最大黏滞阻尼力为
Fvmax=CVmax
(7)
黏滞阻尼墙一个周期内滞回耗能为
Wv=πAFvmax=2Cfπ2A2
(8)
金属屈服耗能为
(9)
应变能包含黏滞阻尼墙和金属阻尼器的弹性势能:
(10)
式中,f为加载频率;C为阻尼系数;A为加载幅值;Fy为屈服荷载;d0为工作间隙;dy 为屈服位移;k为动态刚度。

根据上述公式计算的金属阻尼器工作间隙对等效阻尼比的影响如图9所示。

可以看到结构振动处于金属阻尼器的工作间隙阶段时,等效阻尼比较大为0.895,说明这一阶段黏塑性阻尼墙的耗能能力较强,能够有效控制风振和小震带来的振动。

当振动超过工作间隙但未达到金属阻尼器的屈服位移时,等效阻尼比急剧降低,这是因为金属阻尼器处于弹性阶段,此时金属阻尼器只能提供弹性势能而不能耗能。

当振动超过金属阻尼器的屈服位移后,等效阻尼比又开始增大,这是因为金属阻尼器屈服,进入了耗能阶段,这一阶段黏塑性阻尼墙的耗能能力同样很强,并且能够提供刚度,能够有效控制结构在大震下的振动反应。

图9 工作间隙对黏塑性阻尼墙等效阻尼比的影响Fig.9 Influence of working
gaps on equivalent damping ratio of VPDW
3.3 参数设计对耗能分担率的影响
本次试验的黏塑性阻尼墙高度为1 175 mm,按照《建筑结构抗震规范》中对钢结
构小震下的层间位移角限值1/250来计算,可得弹性位移限值为4.7 mm,大震下的层间位移角限值1/50来计算,可得弹塑性位移限值为23.5 mm。

因此可以选择黏
塑性阻尼墙的工作间隙为5 mm,在小震范围内依靠黏滞阻尼部分耗能,在大震阶段
依靠黏滞阻尼和金属阻尼共同耗能,充分发挥黏塑性阻尼墙在各个振动状态下的优势。

为了充分发挥黏塑性阻尼墙的耗能能力,增大等效阻尼比,应使黏滞耗能和金属屈服
耗能的耗能量大致相等。

因此需要选择合理的参数使得公式(8)计算得到的黏滞耗
能与公式(9)计算得到的金属屈服耗能的比值在合理范围之内。

本次试验中金属阻尼器的设计较为合理,两个金属阻尼器的理论屈服承载力为
74.33 kN,屈服位移为2.81 mm,工作间隙取为合理值5 mm,加载频率为0.5 Hz,因此只需选择合理黏滞系数的黏滞材料,即可完成黏塑性阻尼墙的参数设计,使得两种
耗能形式的耗能量相当。

本次试验不同黏滞系数下金属耗能与黏滞耗能比值随最大位移的变化规律如图10所示。

图10 不同黏滞系数下的耗能比值Fig.10 Energy dissipation ratios under different coefficients of viscosity
从图中可以看出,当最大位移约为15 mm时,金属耗能与黏滞耗能比值达到最大值。

本文建议将合理黏滞系数值取为在最大位移为黏塑性阻尼墙高度的1/100处,公式(8)和公式(9)相等时所对应的黏滞系数。

因此本次试验的合理黏滞系数约为0.860 (kN·s)/mm,金属耗能与黏滞耗能比值的最大值约为1.12,而在弹塑性位移限值处的比值约为0.99,表明金属耗能和黏滞耗能的耗能量在中震和大震过程中基本保持一致,能够充分发挥这两种耗能的共同作用。

4 结论
本文将黏滞阻尼墙与金属阻尼器相结合提出了黏塑性阻尼墙。

加工制作了黏滞阻尼墙和黏塑性阻尼墙试件,对其进行了试验研究和分析,并考虑了螺栓滑移的影响。

同
时对黏滞阻尼力分担率、金属阻尼器的工作间隙和黏滞材料的黏滞系数进行了理论分析。

得到了如下的主要结论:
(1) 虽然本次试验黏滞阻尼力和金属阻尼力相差较大,但黏塑性阻尼墙滞回曲线仍然反映出一些有意义的结果:黏塑性阻尼墙在工作间隙阶段主要依靠黏滞阻尼耗能,这
一特点可以保证在风荷载作用下,避免金属阻尼墙发生高周疲劳破坏;当位移超过工
作间隙后,金属阻尼器进入屈服阶段,实现了黏滞阻尼和金属阻尼共同耗能。

(2) 增大黏滞阻尼力部分使得黏滞阻尼耗能和金属耗能大致相等,可以有效增大等效阻尼比,降低地震反应。

(3) 对于框架结构,黏塑性阻尼墙的合理工作间隙值可取为墙高度的1/250,这样可
以保证在小震范围内依靠黏滞阻尼耗能,在大震阶段依靠黏滞阻尼和金属阻尼共同
耗能,充分发挥黏塑性阻尼墙在各个振动状态下的优势。

(4) 对于框架结构,本文建议将最大位移为墙高度的1/100处,金属耗能与黏滞耗能
相等时所对应的黏滞系数作为合理黏滞系数值,这样可以在中震和大震下充分发挥
金属耗能和黏滞耗能的共同作用。

本次试验中黏滞耗能部分比较小,应增大黏滞材料的黏滞系数,使两种耗能大致相等。

加载梁存在转动情况导致内钢板与外钢箱的相对位移未能达到设定的加载位移幅值,且金属阻尼器上下两端的螺栓有滑移现象,对加载刚度和卸载刚度存在不同程度的
折减影响。

本试验在一定程度上反映了黏塑性阻尼墙的耗能特点,但在下一阶段的
工作中仍需针对黏塑性阻尼墙的构造开展专题研究,对其做出进一步改进与完善,解
决黏滞阻尼力与金属阻尼力相差较大的问题,同时提高黏塑性阻尼墙性能的稳定性。

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